Энергия морских волн
Недавно при онлайнобсуждении очередного направления альтернативной энергетики мой коллега коснулся вопроса использования энергии волн морей и океанов. Он так и сказал: «Вы о многих источниках пишите, поинтересуйтесь среднегодовой высотой морских волн. Волна 3 м несет мощность 90 кВт на 1 м берега».
Ваш покорный слуга родился и вырос на Азовском море. Не понаслышке знаю, что оно бывает спокойным и штормовым. Не раз ощущал силу волн на себе и видел, как волны разрушают строения и причалы. Думаю, вполне разумно было бы наряду с устройствами, преобразующими энергию солнца и ветра в электроэнергию, использовать для этих целей и энергию морских волн. Тем более, что Украина имеет прибрежную зону Азовского и Черного моря.
Не мудрствуя лукаво, нашел организацию, профессионально занимающейся этим направлением и хочу с наиболее интересной информацией в сжатом виде ознакомить своего читателя.
Энергия волн
Сила волн на поверхности морей и океанов, как и любая другая энергия, может использоваться для полезной работы, в том числе для обеспечения работы электростанций. По мнению экспертов, волны Мирового океана могут удовлетворить от 20% энергетических потребностей человечества.
Волновая энергетика представляется исследователям не менее серьёзным направлением альтернативной энергетики. По самым смелым оценкам, волны генерируют порядка 2 ТВт энергии, что в два раза превосходит совокупный объём выработки энергии во всём мире в настоящее время. Привлекательность использования волн заключается в первую очередь в их высокой удельной мощности, которая по своему уровню превышает показатели солнечной и ветровой энергетики. В условиях десятиметровой высоты волн удельная мощность достигает 2 МВт на погонный метр.
Технически использование энергии волн возможно только в прибрежных зонах, где мощность составляет максимум 75–80 кВт на, а средняя высота волн — до двух метров. (Коллега был прав, и есть ответ по средней высоте волн. Авт.) Впрочем, такой уровень наблюдается в большей части Мирового океана в спокойных погодных условиях. Усреднённый показатель удельной мощности волн в Северном полушарии составляет в пределах 25 кВт на метр. Регионы, наиболее потенциально пригодные для запуска волновых электростанций — это территории с побережьем большой протяжённости и наличием стабильных сильных ветров.
Принципы работы волновых станций
Выработка энергии из волн морей и океанов осуществляется специальными волновыми электростанциями, которые располагаются в акваториях. Кроме генерации электроэнергии, при задействовании дополнительного оборудования волновые станции могут выполнять и другую полезную работу, в том числе выработку тепла, пресной воды, кислорода, водорода и других химических веществ из морской воды при помощи процессов электролиза, а также осуществлять производство сжатого воздуха.
Работа станций выполняется благодаря воздействию волн на их рабочие тела, в роли которых могут выступать, в зависимости от конкретного проекта, поплавки, лопасти турбин, маятники, трубы, волноприёмники или волноотбойники. Движения волн в конечном итоге трансформируются во вращение генераторов при помощи силовых преобразователей — воздушных и гидравлических турбин, цепных и зубчатых передач или же водяных колёс. Полученная в результате воздействия волн механическая энергия превращается в электрическую, после чего транспортируется потребителям через морской кабель на побережье.
Волны могут использоваться для получения энергии на станциях, работающих по принципу «колеблющегося тела». Рабочие тела станций представляют собой буи, секции которых объединены в один конвертер. Между секциями устанавливаются гидравлические поршни, которые под воздействием вертикальных колебаний волн через специальные двигатели вращают генератор. Применяется преобразование не только энергии колебаний волн, но и изменения их профиля при использовании принципа «поверхностного качения». В качестве рабочих тел устанавливаются поплавки. В конструкциях станций типа «утка Соллера» несколько десятков поплавков монтируются на общий вал.
Волновые установки поплавкового типа «плот Коккереля» и «морской змей» несмотря на громоздкость конструкций и сложности с закреплением оборудования станций в определённых точках, являются наиболее популярными и демонстрируют КПД в пределах 80%. Есть и другие типы станций «осциллирующий водяной столб», «пульсирующий водяной столб Массуды», «искусственный атолл» и другие. Ограничимся пока только перечислением.
Действующие и будущие проекты
Попытки воплотить в жизнь идеи использования энергию морских волн предпринимались ещё до двадцатого века. Но настоящий интерес к волновой энергетике возродился уже в семидесятые годы двадцатого века, после того, как в мире разразился нефтяной кризис. В Норвегии в 1985 году появились сразу две волновых электростанции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Мощность первой первоначально составляла 500 кВт и была наращена до 850 кВт. Конструкция предусматривала генерирующую установку пневматического типа. Вторая станция мощностью 450 кВт работает по принципу «атолла» с использованием энергии набегающей волны на поверхность конусообразного типа.
К настоящему времени доля использования станций, работающих на волнах, совсем невелика. По большей части реализация таких проектов носит экспериментальный характер. Тем не менее, волновая энергетика нашла своё применение в сегменте энергообеспечения отдельных автономных объектов, таких как маяки, буи, морское научно-исследовательское оборудование, буровые платформы. К примеру, на волновых генераторах сейчас во всём мире работают около четырёх сотен маяков и буёв. Крупные же электростанции можно пересчитать по пальцам, причём часть из них пока ещё находится в стадии строительства. Познакомимся с некоторыми проектами.
В акватории Северного моря, у шотландского побережья Оркнейских островов, заработала волновая станция Oyster мощностью 600 кВт, построенная местной компанией Aquamarine Power. Генератор работает с использованием донного насоса, который под воздействием волнового поплавка закачивает на берег морскую воду. Поступающая вода, в свою очередь, обеспечивает движение лопастей генератора. Станция обеспечивает энергией несколько сотен домохозяйств. В компании обсуждаются планы строительства ещё двух десятков аналогичных станций, что дало бы возможность поставлять электроэнергию ещё 9 тыс. домохозяйствам. Не исключается и вариант установки новых поплавковых насосов, которые будут подавать дополнительный объём морской воды к одному мощному гидрогенератору на побережье.
В 2009 году на побережье британского графства Корнуолл (омывается Ла-Маншем и Кельтским морем) стартовало возведение крупнейшей волновой станции в мире в рамках проекта Wave Hub. Оператором проекта является компания Carnegie Wave Energy (Австралия), которая получила на строительство грант Европейского фонда регионального развития в сумме 9,6 млн. евро для строительства первого мегаваттного генератора. Конструкция генератора предусматривает установку турбин PowerBuoy производства американской компании Ocean Power Technologies. Станция строится по технологии поплавковых рабочих тел. Проектная мощность объекта составит 50 МВт. Предполагается, что запуск станции состоится в 2018 году. Вторая очередь проекта, предусматривающая наращивание мощности выработки, рассчитана на 2020–2021 годы. По неофициальным данным, оператору уже удалось достигнуть мощности станции в 20 МВт.
Демонстрационные проекты
Нидерландская компания Waterstudio реализовала пилотный проект Parthenon, построив подводную стену с электрогенераторами в нью-йоркской гавани на реке Гудзон. Установка не только производит энергию экологически чистым способом, но и выступает в роли защиты прибрежной зоны и местного порта от волнового воздействия. Инновационный волнолом состоит из колонн, по внешнему виду напоминающих греческие, чем и было обусловлено название проекта. Каждая такая колонна представляет собой турбину метрового диаметра, вращающуюся в обе стороны под воздействием речных волн. В настоящее время проект имеет демонстрационный статус.
Проект Parthenon не является единственным американским проектом волновой энергетики, однако как гудзонский генератор, так и остальные станции в этой стране строятся в качестве эксперимента. Эксперты полагают, что строительство и запуск волновых электростанций со временем даст возможность удовлетворить до 28% потребностей страны в энергии. Развитию идей волновых электростанций в США способствуют разработки программ, применяемые в военно-морских силах страны. Согласно ним к 2020 году ВМС должны сократить потребление энергии из традиционных источников на 50% путём перехода на использование технологий альтернативной энергетики. Материалы взяты из источника.
В Украине, НПФ «КРОК-1» разработало типовой проект волновой станции мощностью 2000 кВт для акватории Черного моря, состоящей из четырех модулей по 500 кВт. Практической реализации пока нет, хотя прототип такого оборудования по использованию энергии морских волн ВЭС-10 (10 кВт) был испытан весной 2007 года в Черном море и показал удовлетворительные результаты.
Понравилась статья, поделись с друзьями. Напиши в комментариях свое мнение.
Принцип работы волновых электростанций
Электростанции обычно работают на угле, газе или нефти. Однако это вылилось в стремительное уменьшение количества природных ресурсов. Поэтому ученые рассматривают альтернативные источники электричества, в том числе энергию волн океана.
Природа явления
Энергия волны – это возможность удовлетворить 20% энергетических потребностей населения Земли. При этом в основном сейчас развивают энергетику приливов.
Согласно оценкам ученых, из бегущей волны можно генерировать 2 ТВт энергии, что вдвое превышает общую выработку в мире. Океанские волны привлекательны тем, что их удельная мощность выше, чем у солнца и ветра. При 10-метровой волне этот показатель составит 2 МВт/пог. м.
Однако существуют ограничения. Использовать волновую энергию можно только при мощности 75-80 кВт на метр и высоте до 2 м. Такие показатели характерны для прибрежных зон на европейском западе, британском севере, тихоокеанских берегах Америки, Австралии и Новой Зеландии, Южной Африке.
Как работают волновые электростанции?
В основе работы ВЭС лежат преобразователи энергии волн из кинетической в электрическую. Такие устройства делятся на виды в зависимости от принципа действия и конструкции:
Почему это выгодно?
Энергия, переносимая волной, возобновляемая. К тому же она способна покрыть 20% потребности в электроэнергии. Так что развивать это направление выгодно во всех отношениях, ведь природные ресурсы истощаются, уголь, нефть и газ однажды закончатся. Атомная энергетика не сможет решить все проблемы. Да и потенциальная опасность тормозит развитие АЭС.
Преимущества и недостатки
Использование потенциальной энергии волны – альтернатива нефти, газу, углю. Однако есть и другие плюсы ВЭС:
Однако есть и минусы таких станций:
Типы волновых электростанций
Принцип действия всех волновых электростанций в мире неизменный. Конструкторы лишь работают над изменением архитектуры камеры для достижения максимального сжатия воздуха внутри. Модернизированная камера позволяет изменять свой объем и геометрию, исходя из состояния акватории. Это позволило исключить перепады мощности ВЭС при снижении высоты волны и защитить оборудование от повышенных нагрузок и разрушения в период шторма.
ВЭС, работающие по принципу качения
Это поплавковые волновые электростанции на воде. Такие сооружения служат для использования энергии волн при поверхностном качении, речь идет об их способности раскачивать поплавки. Это преобразователи, отслеживающие волновой профиль.
Морские змеи
Такие поплавковые волновые электростанции представлены секциями. Они цилиндрической формы, соединяются шарнирами и стоят в воде полузатопленными.
Мощность одной такой станции – до 21 МВт, чего хватит, чтобы снабдить электричеством 15 000 домов.
Контурный плот Коккереля
В этом случае секции на шарнирах перемещаются относительно друг друга, а колебания принимают на себя насосы с генераторами. Плот из 3 секций вырабатывает до 2 000 кВт. Эффективность – до 45%, меньше, чем у утки Солтера. Однако конструкция плота напоминает судостроительную.
Утка Солтера
Такое название дали поплавковой волновой электростанции, состоящей из множества поплавков на одном валу. Для эффективной работы их должно быть минимум 20-30. «Утка» – тот самый поплавок, его разработал инженер Стивен Солтер.
Энергия течений
Потенциальная энергия заложена в самых мощных океанских течениях. Сейчас удается получать энергию при скорости потока от 1 м/с, а мощность от 1 кв. м поперечного сечения потока – 1 кВт. Перспективным считается использование Гольфстрима, Куросио и Флоридского течения.
Кинетическая энергия волн в ВЭС
Объем кинетической энергии волн колоссальный. Так, на побережье Шотландии они выломали и сдвинули каменный блок весом 1350 т. От длины волны зависит мощность – так, когда она достигает 10 миль, за 10 сек. вырабатывается 35 000 л. с.
Использовать эту энергию можно двумя способами:
Буй генератор
Такая конструкция представляет собой 42-метровый буй. Мощность одной станции – 150 кВт.
Буй фиксируется на дне якорями, а на поверхности удерживается 11-метровым поплавком, который перемещается вертикально вслед за колебанием вод и закрепляется на подвижном штоке. Последний – часть линейного генератора, при прохождении обмотки статора он генерирует электричество. Датчики позволяют вручную контролировать ход штока в зависимости от частоты, высоты и силы волн. На период сильного шторма шток автоматически блокируется, чтобы избежать аварии.
Волновые электростанции в мире
Впервые волновая электростанция появилась в Норвегии в 1985 г. Она была пневматической и выдавала мощность 500 кВт. Вторая на 450 кВт функционирует по принципу «атолла».
В Европе были запущены ВЭС Aguadoura Wave Farm и Mutriku Breakwater. Так, Aguçadoura Wave Farm появилась в Португалии в 2008 г и стала первым коммерческим проектом. В этой установке использовалась механическая энергия плоской волны. Ее мощность – 2,3 МВт, этого хватало, чтобы обеспечить электричеством 1 600 домохозяйств. Однако сейчас ВЭС не функционирует. Зато испанская Mutriku Breakwater на 300 кВт продолжает работу.
Первая промышленная ВЭС – австралийская Oceanlinx, которая появилась в 2005 г. Самой большой волновой электростанцией считается британская Wave Hub у полуострова Корнуэлла.
Действующие объекты
Поплавковые волновые электростанции мало распространены, в основном они представлены экспериментальными установками. На таких генераторах работает порядка 400 маяков и буев в мире. Однако крупных станций мало и большинство из них еще строятся.
Действующие поплавковые волновые электростанции есть в Европе. Это Wave Hub с 4 генераторами мощностью 150 кВт каждый, Mutriku Breakwater в Испании мощностью 450 кВт. Еще действует ВЭС в Австралии. Ее мощность 1 МВт, но потребители получают только 450 кВт электроэнергии.
Еще один объект – Oyster Шотландия, ВЭС в акватории Северного моря. Мощность станции – 600 кВт. Принцип работы заключается в том, что донный насос под воздействием волнового поплавка качает на берег воду, а она уже приводит лопасти в движение. Вырабатываемой энергии хватает для нескольких сотен домохозяйств.
Демонстрационные объекты
Голландская компания Waterstudio построила подводную стену с электрогенераторами на Гудзоне. Это пилотный демонстрационный проект, получивший название Parthenon. В этой установке применяется инновационный волнолом, состоящий из колонн, которые похожи на греческие. Каждая из них – турбина диаметром в 1 м, которую волны заставляют вращаться в обе стороны.
Американский Парфенон и проекты ВМС США пока носят только экспериментальный характер. Однако, по прогнозам ученых, запуск волновых электростанций позволит покрыть 28% потребности страны в электричестве. Планируется, что к 2020 г. ВМС США будут получать 50% электричества из альтернативных источников.
В Украине разработан типовой проект ВЭС мощностью 2 МВт для акватории Черного моря. Станция включает 4 модуля по 500 кВт каждый. Однако пока не известно, когда начнется реализация проекта.
Волновые электростанции в России
Россия имеет выход к морю, поэтому энергия морских волн может использоваться, так что интерес к этой сфере растет. Однако соответствующие установки только начинают появляться. Первая ВЭС появилась в Приморском крае в 2014 г. Ее плюс в том, что она универсальна, может преобразовывать как энергию волн, так и отливов с приливами.
Согласно текущему плану развития зеленой энергетики в РФ до 2020 г, альтернативные источники энергии должны составить 5% от общей выработки электричества в стране. В том числе предполагается развитие сети волновых электростанций. Такие установки позволят генерировать электричество экологически чистым способом и одновременно защитят прибрежную зону и местный порт от разрушительного воздействия волн.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
Плюсы и минусы приливных электростанций
Как сделать ветрогенератор своими руками в домашних условиях?
Использование энергии морских приливов и отливов
Геотермальные электростанции: плюсы и минусы выработки электроэнергии ГеоТЭС
Альтернативная энергетика и экология: виды и пути развития
Альтернативная энергетика своими руками для дома
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
Плюсы и минусы геотермальной энергетики
10 самых загрязненных Морей в мире
Что такое гидроэнергия, ее источники, плюсы и минусы
Экологические проблемы Черного моря и его берегов
Как работают волновые электростанции и насколько это выгодно?
Одним из богатств Мирового океана считается безграничный источник энергии в виде морских волн. Впервые об этом узнали в восемнадцатом веке в Париже. Тогда люди имели дело с кинетической энергии приплывающих к берегу валов. Так на волновой объект впервые представили патент. В современном мире технологии прогрессируют, а труд многих ученых позволил создать волновую электростанцию коммерческого типа, принципом работы которой стали пользоваться в 2008 году. На протяжении длительного времени основным источником энергии были уголь, газ и нефть. Но из-за уменьшения объема последних альтернативная энергетика получила большой скачок в развитии. Речь идет об электрических станциях, расположенных в природной среде. Их главная цель – способствовать использованию колоссальной энергии океанов и морей. Существует немало различных типов этих станций, но основой каждого из них является преобразование механического действия волн.
Наверняка ты знаешь, что природные богатства не безграничны и сейчас очень истощились. Если придерживаться благоприятных прогнозов ученых, то запасов человеку хватит максимум на триста лет жизни. Поэтому не прекращается поиск новых решений.
Что такое ВЭС?
Подвид объектов, который для получения электроэнергии использует кинетическую энергию воды. Сейчас мы говорим о морях и океанах. Несмотря на то, что ее история началась более двухсот лет назад, данный вид принято считать относительно новым. Чаще такие объекты устанавливают близко к прибрежным участкам с повышенной потенциальной активностью волн.
Принцип работы
Регулировка потока в каждом случае происходит так, чтобы он двигался через турбину постоянно в одном направлении. Если возникает необходимость увеличить скорость воздуха, то достаточно снизить диаметр трубы, через которую он проходит. Часто вращение последней увеличивается, даже, если скорость волнового движения немного увеличена.
Типы волновых электростанций
Все объекты такого типа действуют по единому неизменному принципу. Конструкторами только ведется работа над модернизацией архитектуры камеры, чтобы помогает достигать предельного сжатия воздуха во внутренней части. Благодаря усовершенствованной камере меняется объем и геометрия – на это оказывает влияние состояние акватории. Такой процесс в совокупности позволяет избежать перепадов мощности, когда происходит снижение волновой высоты, а также защищает все оборудование.
Функционирующие по принципу качения
Главная задача таких поплавковых сооружений – задействование волновой волн в момент поверхностного качения, то есть, они способны раскачивать поплавки.
Морские змеи
Они отличаются секционным составом и формой цилиндра. Обычно данное оборудование соединено с помощью шарниров. Они нередко находятся в полузатопленном положении. Мощность одного объекта достигает двадцати одного мегаватта, что вполне хватит для поступления электричества в пятнадцать тысяч домов.
Коккерельский плот
В данном случае происходит перемещение секций на шарнирах в отношении друг друга. Насосы, оснащенные генераторами, работают за счет колебаний. Плот, в котором три секции, способен выработать до двух тысяч киловатт. Показатель эффективности достигает сорок пять процентов.
Солтерская утка
Поплавская электростанция состоит из многих поплавков, находящихся на одном валу. Чтобы она функционировала правильно, их количество должно быть как минимум от двадцати до тридцати. Разработка «Утки» принадлежит инженеру Стивену Солтеру.
Энергия морских и океанских течений
Мощнейшие течения наделены энергией. В настоящее время получают энергию со скоростным показателем потока от одного метра в секунду.
Про кинетическую волновую энергию
Количество волновой энергии слишком большое, поэтому на шотландском побережье она сумела сдвинуть каменный блок, который весил 1350 тонн. На показатель мощности влияет длина волны. Например, когда она будет равняться десяти милям, то за десять секунд выработается тридцать пять тысяч лошадиных сил.
Воспользоваться энергией можно по-разному:
Буй генератор
Оборудование в виде сорока двух метрового буя. Для фиксации буя на дне используются якоря, на поверхности – одиннадцатиметровый поплавок. Последний совершает вращательные движения за колебанием вод. Его закрепляют с помощью подвижного штока. Речь идет о части генератора, который когда проходит обмотку статора, осуществляет генерирование электричества. Именно благодаря датчикам появилась возможность держать под контролем ход штока. На процесс также влияет частота, сила волн и их высота. Если случится сильнейший шторм, шток заблокируется автоматическим способом. Это позволит избежать аварийной ситуации.
ВЭС в России
Наверняка ты знаешь, что у страны есть выход к морю – это является одной из основных причин возникшего интереса к получению энергии морских волн. Первая установка появилась семь лет назад. Разработку сделали многофункциональной – она меняет волновую энергию и приливы с отливами. Сейчас в планах построить в Москве специальную лабораторию, чтобы создать первую поплавковую станцию отечественного производства. Вероятно, в будущем объекты станут промышленными или коммерческими. С помощью установок можно будет использовать чистый метод генерирования электричества с точки зрения экологии, а также они смогут защитить прибрежный участок и местный порт от разрушения волнами.
Мировые ВЭС
Впервые такой объект появился в Норвегии около сорока шести пяти лет назад. Он обладал мощностью пятьсот киловатт. Если рассматривать промышленную сферу, то в ней первой электрообъектом принято считать австралийский. Он заработал 15 лет назад, затем провели ее реконструкции, и спустя четыре года станция заработала снова.
Принято считать, что первый коммерческий объект начал свою работу тринадцать лет назад в Португалии. Речь идет об установке, использующей механическую волновую энергию. Она работает по принципу под названием «колеблющееся тело». Проектная разработка является трудом английской компании.
В Великобритании была построена самая габаритная в мире станция Wave Hub. Ее местоположение – полуостров Корнуэлла. Объект имеет четыре генератора, каждый из которых достигает мощности по сто пятьдесят киловатт. Принцип работы, как у предыдущей модели.
Преимущества и недостатки использования
Любой агрегат отличается удовлетворительными и неудовлетворительными аспектами использования. Здесь большую роль играет соотношение данных характеристик, так как по итогу определяется целесообразность его применения.
Плюсы выражаются в:
Отрицательная сторона работы выражена в:
Но все минусы со временем становятся не актуальными, ведь работа ученых и конструкторов продолжается и сегодня. Благодаря разработке новых, мощнейших волновых электростанций, меняются их принципы работы, а также появляется возможность получать больше электроэнергии.
